從2022 IEDM觀察高速運算展望與鐵電記憶體發展：材料世界網

林雨德 / 工研院電光所

前言—關於IEDM研討會

2022 IEEE International Electron Devices Meeting(IEDM)，是全世界固態電子元件領域中最高殿堂的研討會，也是台灣半導體元件學界/研究界每年的指標性盛會，一向於美國舊金山舉辦。2020~2021年在疫情襲擊下，研討會改為線上發表的形式舉行，但是在此模式下，作者與研究群的互動性大幅降低，所幸，去年起各國逐漸打開了國門，2022-IEDM乃得以用強迫作者群現場簡報和互動，外加上實體會議的隔週，舉辦線上影音的會議分享方式，雙向打開了近距離互動與遠距離溝通的研討會模式，著實令研究者們振奮。

筆者主要的研究項目是鐵電記憶體(Ferroelectric Memory)，因為氧化鉿(HfO_x)材料的鐵電相的問世，有幸能在此領域有所領先，於2019-MT Session(Memory Technology)，2021 & 2022-RSD Session (Reliability of System and Device)都有第一作者著作發表；請容筆者以自身鐵電領域為出發，來描述IEDM電子元件研討會的樣貌，以期為材料世界網的讀者提供一頁篇章，來理解半導體盛會的容貌。

關於IEDM的重要性，筆者先用一張審查委員的圖來代表這研討會的國際性。圖一為本屆的記憶體研討會委員名單，基本上，三位學術界教授分別來自清華、首爾、北京航空大學；接著十位委員皆來自知名公司(美光、台積電、三星、旺宏、索尼、海力士、世界先進、Intel、IBM)，或是世界級研究機構(比利時IMEC、德國Fraunhofer Center)，委員每兩年會更替，但大多維持半導體公司10位委員，學術界5位委員。由此可以看出，此國際研討會對於產業/研究/學術界的特殊之處，因此也是各種技術獲得目光的頂尖展演廳。

鐵電元件發展趨勢

回顧鐵電元件的發表數字，筆者用圖二來表示鐵電相關的論文在IEDM舞台的變化量，其中MT論壇選題重心在記憶體的新穎性，突破性應用範圍；RSD論壇是著重在元件的可靠度(可信任性、廣泛性、量化數據)；MS論壇著重於元件特性模擬，目標是以物理的模型去說明鐵電的某些特殊特性(負電容、物理機制、電特性傾向)；Application項目主要著重在應用層面的開發，例如說CIM (Compute In Memory)主要著重在記憶體內運算去減輕CPU能耗，並加速運算過程；AI (Artificial Intelligent)是運用記憶體特性在類神經元架構，藉由線性區間的多穩態記憶體態，去逐步刺激神經元元件，最後達到激發長期記憶的效果。如果上述文字太過技術性艱澀，筆者這邊用”人類學習外語”來描述；人們平均要遇到相同單字6次，單字才能順利進入記憶區間，而類神經元元件即是紀錄這6次的過程，6次後就成功激發此神經元，而鐵電記憶體就是有此應用潛能，可從記錄到記憶的單元電子元件。

圖二、鐵電記憶體在不同主題論壇的發表數，以及其總數與文章占比。從2019到2022年，可以看出發表重心逐漸由創新發表轉到元件可靠度，意即此技術漸漸邁向實用方向，模擬則是一個穩定的產出，代表總有新的物理機制需要學界來協助探討

接著描述圖二的趨勢。整體而言，鐵電元件的論文數從2019-2020年的8-9%，成長到2022年的12.4%，這代表著各類鐵電工作的斬獲，以及受到產學界的逐步認可；接著從MT的論文數字(代表著記憶特性的新穎性)來看，從11篇論文下降至7篇論文，再來是RSD的論文數自2019年的0篇成長到2022年的9篇，代表著鐵電元件產出越來越多量化數據，逐步取得產業界的信任與目光，元件的可靠度規格逐步上升，越來越接近商品化的過程。再來討論第三項的模擬論文，這角度主要探討新元件或是新物理機制，近年一直有穩定的文章產出，這些模擬幫助研究者解釋之前不清楚的機制；Application的文章，討論著應用契機，2019年以前，以負電容(Negative Capacitor; NC)增加電晶體的切換速度(Sub-threshold Swing)為主流，2020年後，大多以CIM-記憶體內運算為主要範疇。

Intel’s Short Course：下階段高速運算的發展策略

除了在論文總數因素外，半導體開發先驅Intel的動向仍是重要的指標球；雖說台灣人可能普遍接受TSMC在先進製程超越了Intel，但是在微縮之外的系統應用層面，Intel還是遠遠超越台灣與韓國；Intel今年在Short Course-1發表的“The Path to Zettascale” (往1021運算力的路上)，此發表指出往此運算目標所探討的方向，大綱是改變運算架構(如圖三—記憶體內運算)，現行可行方案(如圖四—-Inetel@IRIS架構Embedded DRAM技術)，以及未來開發方案(如圖五—先進元件與記憶體3D整合-整體性製程) ---以上為部分節錄內容，完整資料請見下方附檔。